[论文解读] A Comparison of the Galactic Cosmic Ray H, He and C/O Nuclei Spectra Measured Between ~5 and 500 MeV/nuc Beyond 122 AU at Voyager 1 with the Predictions of a Diffusion Model for Propagation in the Galaxy

W. R. Webber, P. R. Higbie+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 8

一句话总结

本研究将旅行者1号在122 AU以外测得的银河宇宙射线质子、氦以及碳/氧谱（能量范围5–500 MeV/nuc）与宇宙射线传播的扩散模型预测进行比较。该模型采用通用的P^-2.24输入谱和与刚度相关的扩散系数，与旅行者1数据及高能PAMELA/BESS数据高度一致，表明在高达100 GeV/nuc的范围内存在一致的刚度谱，而在30 MeV/nuc以下存在微小偏差，提示可能存在传播或源效应。

ABSTRACT

After the disappearance of lower energy heliospheric particles at Voyager 1 starting on August 25th, 2012, spectra of H, He and C/O nuclei were revealed that resembled those to be expected for galactic cosmic rays. These spectra had intensity peaks in the range of 30-60 MeV, decreasing at both lower energies down to a few MeV and at higher energies up to several hundred MeV. We have modeled the propagation of these particles in the galaxy using an updated Leaky Box Diffusion model which determines the spectra of these components from ~2 MeV to >200 GeV. The key parameters used in the model are a galactic input spectrum ~P^-2.24, the same for all components and independent of rigidity, and a diffusion coefficient that is ~P^0.5 above a lower rigidity and increases ~beta^-1.0 below a lower rigidity ~0.56 GV. These same parameters also fit the high energy H and He data from ~10-200 GeV/nuc from the PAMELA and BESS experiments. The new Voyager spectra for all three nuclei are thus consistent with rigidity spectra ~P^-2.24 from the lowest energies to at least 100 GeV. Deviations from this spectrum can reasonably be attributed to propagation effects. Some deviations between the calculated and newly observed spectra are noted, however, below ~30 MeV/nuc, particularly for C/O nuclei, that could be significant regarding the propagation and sources of these particles.

研究动机与目标

• 分析旅行者1号在122 AU以外测得的H、He及C/O核的银河宇宙射线谱，此时太阳调制效应已停止。
• 检验观测到的谱是否与银河系宇宙射线传播的扩散模型预测一致。
• 评估观测谱与PAMELA和BESS实验的高能数据的一致性。
• 识别预测谱与实际数据之间的偏差，并评估其对传播物理或源成分的启示。

提出的方法

• 本研究采用更新的漏桶扩散模型，模拟从~2 MeV至>200 GeV的刚度范围内的宇宙射线传播。
• 模型假设所有核素的银河系输入谱均为E^-2.24，与刚度无关。
• 扩散系数在低于约0.56 GV的刚度阈值以下表现为~β^-1.0，以上则为~P^0.5。
• 通过PAMELA和BESS实验的高能H和He数据校准模型参数，以确保能量范围内的自洽性。
• 将模型预测与旅行者1号在5–500 MeV/nuc范围内的谱直接比较，重点关注30–60 MeV/nuc处的强度峰。
• 分析模型与数据之间的偏差，尤其在30 MeV/nuc以下，以评估可能的传播或源相关效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 旅行者1号在122 AU以外测得的H、He及C/O核的银河宇宙射线谱是否符合银河传播扩散模型的预测？
• RQ2 观测到的刚度谱是否与模型预测的从低能到高能的统一P^-2.24幂律一致？
• RQ3 模型与旅行者1号数据之间是否存在可观测的偏差，特别是在30 MeV/nuc以下，可能揭示模型局限性或源/传播物理的新见解？
• RQ4 与高能PAMELA和BESS数据拟合的相同模型参数，是否也能准确再现低能旅行者1号谱？
• RQ5 30 MeV/nuc以下的观测偏差是否可归因于传播效应，还是提示存在额外的物理过程？

主要发现

• 旅行者1号测得的H、He及C/O核谱在30–60 MeV/nuc处呈现强度峰，向低能和高能方向均下降，与银河宇宙射线起源一致。
• 观测谱可由具有通用银河系输入谱P^-2.24的扩散模型良好描述，表明这三种核素的注入谱具有一致性。
• 与PAMELA和BESS实验高能H和He数据拟合的相同模型参数，也能成功再现旅行者1号在500 MeV/nuc以内的谱。
• 模型预测在整个能量范围（~2 MeV至至少100 GeV/nuc）内呈现平滑的P^-2.24谱，谱中无显著拐折。
• 在~30 MeV/nuc以下观察到模型与数据的偏差，尤其在C/O核中更为明显，提示可能存在传播效应或源成分影响。
• 数据在多个能量区间的模型一致性，支持扩散模型在银河系宇宙射线传播中的有效性。